Simulationsmodelle

Zur Untersuchung der Bewegung des momentanen Rotationszentrums von polyzentrischen Soft-Antrieben wurden kinematische Simulationsmodelle von dem fluidischen Soft-Biegeantrieb sowie dem Hybrid-Soft-Antrieb erstellt.

Das Modell des fluidischen Soft-Biegeantriebes basiert dabei auf der Annahme, dass sich die Kinematik einer Sektion des Soft-Antriebes durch die Kinematik einer Viergelenkkette darstellen lässt. Um dieses zu belegen, wurde die momentane Rotationsachse für eine entsprechende Viergelenkkette in der Simulation untersucht. Um die Modellparameter experimentell zu ermitteln, wurde ein vorhandenes elektromagnetisches Sensorsystem (ISO-TRAK 2, Polhemus) verwendet, mit dem die Position und Orientierung eines Körpers (Senders) im Raum erfasst und dann die momentane Rotationsachse (Instant Center of Rotation, ICR) bestimmt werden kann. Bei den Untersuchungen zeigten sich allerdings nicht vernachlässigbare elektromagnetische Störeinflüsse der umgebenden (auch nicht magnetischen) Metallteile auf die Messergebnisse, so dass auf optische Messverfahren des Projektpartners Universitätsklinikum Ulm zurückgegriffen werden musste (siehe Schlussbericht Projektpartner UFB). Die Simulationsergebnisse wurden mit den vom Projektpartner UFB durchgeführten Untersuchungen zur momentanen Rotationsachse von einem Antriebselement verglichen, siehe Abbildung. Der Vergleich der Ergebnisse zeigt eine generelle Übereinstimmung der Rotationsachsen, sodass die Annahme bestätigt werden konnte.

Basierend auf diesen Untersuchungen kann das kinematische Modell für den gesamten Soft-Biegeantrieb als Reihenschaltung von drei Viergelenkketten beschrieben werden. Ein entsprechendes Simulationsmodell wurde unter SimMechanics (The Mathworks GmbH) erstellt und analysiert. Das Simulationsergebnis ist in der Abbildung dargestellt. Mit den realisierten Simulationsmodellen wurden unterschiedliche mögliche Antriebsbewegungen nachgebildet, hierbei wurden die drei Antriebssegmente des Soft-Biegeantriebes jeweils in einem maximalen Winkelbereich von 0° bis 35° mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten bewegt um die Bewegungsmöglichkeit des Antriebes möglichst gut abzudecken. Anschließend wurde die resultierende momentane Rotationsachse für jede Antriebsbewegung berechnet, sodass als Ergebnis eine Kurvenschar von momentanen Rotationsachsen die Bewegungsmöglichkeit und somit die generelle Möglichkeit zur Selbstanpassung der polyzentrischen Soft-Antriebe belegt. In der folgenden Abbildung ist die momentane Rotationsachse des Hybrid-Soft-Antrieb bei unterschiedlichen Bewegungskombinationen der beiden Gelenke gezeigt. Das erste Gelenk wurde hierbei in einem maximalen Winkelbereich von 0° bis 120° bewegt und das zweite Gelenk in einem Bewegungsbereich von 0° bis 35°. Auch hier zeigt sich in der Simulation eine generelle Möglichkeit zur Selbstanpassung des Antriebes.